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摘要: 水利工程大坝由混凝土和钢筋混凝土承担，因此混凝土在工程建筑物中显得尤其重要，但引起钢筋混凝土裂缝的原因有很多, 只有根据工程的特点,进行科学设计,并严格按照技术规程要点进行施工,从裂缝产生的源头加以控制,同时加强新技术、新工艺的研究和应用,定能控制坝体混凝土裂缝。本文将在大坝钢筋混凝土防裂施工的措施和方法上进行有益探讨。
关键词: 水利工程；大坝；混凝土裂缝；原因；预防措施
水利工程混凝土大坝在众多影响因素中，坝体的开裂在实际工程中是一个较为普遍的现象。裂缝的存在，会影响其强度和耐久性，对结构产生有害的影响；有的甚至引起严重的渗漏，导致工程不能正常使用，影响工程寿命和经济效益。
1 混凝土裂缝的类型和成因分析
1.1混凝土收缩裂缝
混凝土随温度和湿度的变化要产生热胀冷缩、湿胀干缩的现象,当收缩变形受到约束时则构件将产生拉应力和拉应变,拉应变值超过了混凝土容许值时即产生裂缝。钢筋混凝土大坝体积巨大,而水与混凝土的比热值相差较大,当空气的温度和湿度发生变化时,混凝土坝体极易产生收缩裂缝,有些坝体混凝土在施工时边浇筑边养护边产生裂缝。
1.2混凝土结构受力裂缝
钢筋混凝土结构构件是依靠钢筋控制裂缝的开展,使其不超过裂缝宽度的容许范围,当由于存在配筋设计方案欠妥、混凝土材料性能不达标,或者是施工过程出现了地基沉陷、施工荷载过大等因素,从而导致坝体结构产生受力裂缝。
1.3混凝土钢筋锈蚀裂缝
钢筋表层腐蚀后生成铁锈,体积可增加几倍,挤压外侧混凝土并使之产生垂直于径向胀压力的拉应力。当拉应力超过混凝土的承载能力后就将在混凝土保护层上引发顺沿钢筋的纵向裂缝,导致混凝土裂缝继续扩大。
1.4混凝土碱集料反应裂缝
混凝土碱集料反应裂缝主要是指水泥中的碱与骨料中的活性二氧化硅发生化学反应即碱硅酸盐反应(简称ASR反应),反应生成物碱硅酸盐凝胶体积膨胀所引发的裂缝。当选取的骨料中碱性物质含量超标时,混凝土极易产生此类裂缝。
2 防止坝体混凝土出现裂缝的对策
2.1使用低温低热混凝土
2.1.1低热混凝土,又称低发热温升混凝土。混凝土的水化热温升是温凝土最高温度的重要组成部分,而伴随发热温升出现的热量外散则可以降低一些混凝土的蓄热量和实际温升度。降低混凝土发热量主要依靠合理选配材料,如低热水泥、低水泥量、掺混合材、外加剂以及大骨料等,是大坝之类混凝土的主要裂控手段。
2.1.2低温混凝土,又称低浇筑温度混凝土。夏季施工混凝土的浇筑温度常高达25℃～30℃。如果通过预冷材料降至10℃就等于将混凝土工程的最高温度(Tmax)和内外温差(△Td)各降约15℃～20℃,并因此收到相当大的减免温裂效果。目前,美国在此方面的技术相当成熟,并已成为国际标准的施工方法。大量实践证明:只要将Tp降到10℃以下并配合采取其他裂控措施,就不会出现值得关注的温度裂缝。
2.2混凝土妥善配料
2.2.1水泥及混合料、外加剂
为了配制低发热、低升温的混凝土,在设计强度不高的坝体混凝土工程中,通常选用较低发热量的水泥(掺混合材水泥)和采用较低水泥量的配合比。但在设计强度较高的大体积混凝土工程中,则既要求水泥具有高活性,亦希望水泥是低发热(缓发热)的,其掺有高磨细度矿渣粉的高强矿渣硅酸盐水泥多可具有这种特性。同时选择干缩性能较好的水泥也是控制收缩裂缝的一个重要方面。
混合料掺入水泥中大多可以降低水泥发热量和延缓发热时间,这有利于延缓混凝土的温升过程;但有些混合材也可延缓混凝土的强度发展或增大混凝土的干缩性,需要通过试验研究确定。外加剂(减水剂、引气剂)能改善混凝土的和易性,有助于混凝土的浇筑均匀和振捣密实度,提高混凝土的抗拉性和抗裂性,使用时需要进行试验研究并严控施工质量。
2.2.2骨料
众所周知,加大粗骨料最大粒径、调整好砂石颗粒级配、减少砂中的泥污含量,有利于减少混凝土拌和需水量(以至水泥量),从而减小混凝土的干缩性(以至发热性);而带棱角有麻面的碎石则较有利于混凝土的抗拉伸性,粗骨料岩石类碎石可以大大减少混凝土的干缩性和冷缩性,有效降低裂缝的产生。
3 坝体混凝土裂缝控制施工要点
3.1配制低温混凝土要点
3.1.1冰屑化水降温法
冰融化成水吸收的热量是用水冷却所吸收的热量的5倍,通常可用冰屑取代相应量的拌合水,以降低混凝土拌合温度。
3.1.2骨料真空降温法
向骨料堆上喷洒冷水可以适当降低混凝土的温度,运用真空降温法是常规洒水降温法效率的10倍左右。骨料真空降温操作要点为:在钢筒仓(压力容器)内装进湿骨料91t～272t,经抽真空将仓内压力降至6mmHg柱,这就可依靠骨料颗粒表面上游离水的蒸发制冷,在经约45min时间将骨料从43t的初温降至平均约10℃,降温效果十分显著。
3.1.3液氮降温法
液氮是惰性深冷液体,用其降温,具有操作简便、效能极高的特点。液氮可用来将水制冷(降至1℃)。将液氮直接喷注于处在拌和中的混凝土内,拌合物温度即可按需降低,而液氮则转变为气态N2逸出(室内氮气可经排风扇排出),混凝土拌和降温用消耗量标准为7kg/(m·3℃)～12kg/(m·3℃)。
3.2混凝土配料要点
优先选用水化热较低的矿渣硅酸盐水泥,按每立方米掺加2.3kg～2.5kg的标准在混凝土中适当掺入减水剂、引气剂等外加剂,以利于振捣密实。选用粒径5mm～25mm、级配良好、抗压强度高的碎石作为粗骨料,选用平均粒径大于0.5mm的中粗砂作为细骨料,以减少用水量和水泥用量,降低混凝土温度,同时要避免选用指标超常的碱骨料。
3.3坝体混凝土要分段浇筑并接缝设置要点
坝体混凝土须按照分段(分块)分层施工,按适当的间隔时间依序分块浇筑;通过缩短块长以减小基底对块体变形的约束力,通过缩短块厚以便于内热外散和避免蓄热太高。其在各个块体之间的预留缝则大多在间隔一段时间之后壓灌水泥浆(或向预留槽内填灌混凝土)将各单个块体连接成整体。混凝土大坝的分缝分块应沿坝轴方向按15m～20m长划分为若干段。块体浇筑层厚度是影响内热外散速率的重要因素,夏季一般1m～2m,其他季节可以适当增加。在坝体施工时,要严格按照设计要求和施工要点进行沉降缝、伸缩缝的施工。
3.4浇筑施工控制要点
浇筑前,应清除模板内的积水,铁丝,铁钉等杂物,并以水湿润模板。使用钢模应保持其表面清洁无浮浆,检查模板和脚手架,钢筋,预埋件等符合要求后方可进行浇筑。采用插入式振捣器捣实混凝土的移动间距,不宜大于其作用半径的1.5倍,振捣器距离模板不应大于振捣器作用半径的1/2;并应尽量避免碰撞钢筋,模板,预埋管等,振捣器应插入下层混凝土5cm;要保证连续浇筑施工。
3.5坝体混凝土养护要点
可采用蓄水法保温养护,于预留孔内蓄水适当深度。为保证冷却水温度控制可靠、流量调节方便并节约用水,将循环水管的一端接至水池的150mm总排水管,另一端接至基础底面,使冷却水循环往复,有效控制内外温差,防止表面干裂生缝。
4 结束语
总之，通过分析坝体混凝土裂缝的类型和形成原因，研究了防止坝体混凝土出现裂缝的对策，针对水库大坝工程的特点，从配制低温混凝土、妥善配料、分段浇筑和设置接缝、振捣施工工艺、养护措施等过程探讨了裂缝控制的施工要点，以确保大坝施工质量。
裂缝问题是钢筋混凝土大坝结构常见的质量通病，也是备受各方关注的技术难题。表面性裂缝对大坝结构的承载能力和使用功能影响不大，但会有碍观瞻，甚至引起人们对工程质量的疑惑;结构性裂缝表明结构的力学、使用功能或整体性受到了损害，是事故发生的警示和前兆。引起钢筋混凝土裂缝的原因有很多，在施工阶段进行预防和控制是最有效的方法。
参考文献：
[1]李治.基础大体积混凝土防裂缝控制措施[J].低温建筑技术,2007(2).
[2]曹宗乾.大体积混凝土防裂控制[J].地下水,2007(3).
[3]朱中联,杨敏华.大体积混凝土防裂施工要点探讨[J].科技创新导报,2008(11).
[4]朱炳浩.大体积混凝土防裂施工技术探讨[J].工程科学,2007(9).
关键词: 水利工程；大坝；混凝土裂缝；原因；预防措施
水利工程混凝土大坝在众多影响因素中，坝体的开裂在实际工程中是一个较为普遍的现象。裂缝的存在，会影响其强度和耐久性，对结构产生有害的影响；有的甚至引起严重的渗漏，导致工程不能正常使用，影响工程寿命和经济效益。
1 混凝土裂缝的类型和成因分析
1.1混凝土收缩裂缝
混凝土随温度和湿度的变化要产生热胀冷缩、湿胀干缩的现象,当收缩变形受到约束时则构件将产生拉应力和拉应变,拉应变值超过了混凝土容许值时即产生裂缝。钢筋混凝土大坝体积巨大,而水与混凝土的比热值相差较大,当空气的温度和湿度发生变化时,混凝土坝体极易产生收缩裂缝,有些坝体混凝土在施工时边浇筑边养护边产生裂缝。
1.2混凝土结构受力裂缝
钢筋混凝土结构构件是依靠钢筋控制裂缝的开展,使其不超过裂缝宽度的容许范围,当由于存在配筋设计方案欠妥、混凝土材料性能不达标,或者是施工过程出现了地基沉陷、施工荷载过大等因素,从而导致坝体结构产生受力裂缝。
1.3混凝土钢筋锈蚀裂缝
钢筋表层腐蚀后生成铁锈,体积可增加几倍,挤压外侧混凝土并使之产生垂直于径向胀压力的拉应力。当拉应力超过混凝土的承载能力后就将在混凝土保护层上引发顺沿钢筋的纵向裂缝,导致混凝土裂缝继续扩大。
1.4混凝土碱集料反应裂缝
混凝土碱集料反应裂缝主要是指水泥中的碱与骨料中的活性二氧化硅发生化学反应即碱硅酸盐反应(简称ASR反应),反应生成物碱硅酸盐凝胶体积膨胀所引发的裂缝。当选取的骨料中碱性物质含量超标时,混凝土极易产生此类裂缝。
2 防止坝体混凝土出现裂缝的对策
2.1使用低温低热混凝土
2.1.1低热混凝土,又称低发热温升混凝土。混凝土的水化热温升是温凝土最高温度的重要组成部分,而伴随发热温升出现的热量外散则可以降低一些混凝土的蓄热量和实际温升度。降低混凝土发热量主要依靠合理选配材料,如低热水泥、低水泥量、掺混合材、外加剂以及大骨料等,是大坝之类混凝土的主要裂控手段。
2.1.2低温混凝土,又称低浇筑温度混凝土。夏季施工混凝土的浇筑温度常高达25℃～30℃。如果通过预冷材料降至10℃就等于将混凝土工程的最高温度(Tmax)和内外温差(△Td)各降约15℃～20℃,并因此收到相当大的减免温裂效果。目前,美国在此方面的技术相当成熟,并已成为国际标准的施工方法。大量实践证明:只要将Tp降到10℃以下并配合采取其他裂控措施,就不会出现值得关注的温度裂缝。
2.2混凝土妥善配料
2.2.1水泥及混合料、外加剂
为了配制低发热、低升温的混凝土,在设计强度不高的坝体混凝土工程中,通常选用较低发热量的水泥(掺混合材水泥)和采用较低水泥量的配合比。但在设计强度较高的大体积混凝土工程中,则既要求水泥具有高活性,亦希望水泥是低发热(缓发热)的,其掺有高磨细度矿渣粉的高强矿渣硅酸盐水泥多可具有这种特性。同时选择干缩性能较好的水泥也是控制收缩裂缝的一个重要方面。
混合料掺入水泥中大多可以降低水泥发热量和延缓发热时间,这有利于延缓混凝土的温升过程;但有些混合材也可延缓混凝土的强度发展或增大混凝土的干缩性,需要通过试验研究确定。外加剂(减水剂、引气剂)能改善混凝土的和易性,有助于混凝土的浇筑均匀和振捣密实度,提高混凝土的抗拉性和抗裂性,使用时需要进行试验研究并严控施工质量。
2.2.2骨料
众所周知,加大粗骨料最大粒径、调整好砂石颗粒级配、减少砂中的泥污含量,有利于减少混凝土拌和需水量(以至水泥量),从而减小混凝土的干缩性(以至发热性);而带棱角有麻面的碎石则较有利于混凝土的抗拉伸性,粗骨料岩石类碎石可以大大减少混凝土的干缩性和冷缩性,有效降低裂缝的产生。
3 坝体混凝土裂缝控制施工要点
3.1配制低温混凝土要点
3.1.1冰屑化水降温法
冰融化成水吸收的热量是用水冷却所吸收的热量的5倍,通常可用冰屑取代相应量的拌合水,以降低混凝土拌合温度。
3.1.2骨料真空降温法
向骨料堆上喷洒冷水可以适当降低混凝土的温度,运用真空降温法是常规洒水降温法效率的10倍左右。骨料真空降温操作要点为:在钢筒仓(压力容器)内装进湿骨料91t～272t,经抽真空将仓内压力降至6mmHg柱,这就可依靠骨料颗粒表面上游离水的蒸发制冷,在经约45min时间将骨料从43t的初温降至平均约10℃,降温效果十分显著。
3.1.3液氮降温法
液氮是惰性深冷液体,用其降温,具有操作简便、效能极高的特点。液氮可用来将水制冷(降至1℃)。将液氮直接喷注于处在拌和中的混凝土内,拌合物温度即可按需降低,而液氮则转变为气态N2逸出(室内氮气可经排风扇排出),混凝土拌和降温用消耗量标准为7kg/(m·3℃)～12kg/(m·3℃)。
3.2混凝土配料要点
优先选用水化热较低的矿渣硅酸盐水泥,按每立方米掺加2.3kg～2.5kg的标准在混凝土中适当掺入减水剂、引气剂等外加剂,以利于振捣密实。选用粒径5mm～25mm、级配良好、抗压强度高的碎石作为粗骨料,选用平均粒径大于0.5mm的中粗砂作为细骨料,以减少用水量和水泥用量,降低混凝土温度,同时要避免选用指标超常的碱骨料。
3.3坝体混凝土要分段浇筑并接缝设置要点
坝体混凝土须按照分段(分块)分层施工,按适当的间隔时间依序分块浇筑;通过缩短块长以减小基底对块体变形的约束力,通过缩短块厚以便于内热外散和避免蓄热太高。其在各个块体之间的预留缝则大多在间隔一段时间之后壓灌水泥浆(或向预留槽内填灌混凝土)将各单个块体连接成整体。混凝土大坝的分缝分块应沿坝轴方向按15m～20m长划分为若干段。块体浇筑层厚度是影响内热外散速率的重要因素,夏季一般1m～2m,其他季节可以适当增加。在坝体施工时,要严格按照设计要求和施工要点进行沉降缝、伸缩缝的施工。
3.4浇筑施工控制要点
浇筑前,应清除模板内的积水,铁丝,铁钉等杂物,并以水湿润模板。使用钢模应保持其表面清洁无浮浆,检查模板和脚手架,钢筋,预埋件等符合要求后方可进行浇筑。采用插入式振捣器捣实混凝土的移动间距,不宜大于其作用半径的1.5倍,振捣器距离模板不应大于振捣器作用半径的1/2;并应尽量避免碰撞钢筋,模板,预埋管等,振捣器应插入下层混凝土5cm;要保证连续浇筑施工。
3.5坝体混凝土养护要点
可采用蓄水法保温养护,于预留孔内蓄水适当深度。为保证冷却水温度控制可靠、流量调节方便并节约用水,将循环水管的一端接至水池的150mm总排水管,另一端接至基础底面,使冷却水循环往复,有效控制内外温差,防止表面干裂生缝。
4 结束语
总之，通过分析坝体混凝土裂缝的类型和形成原因，研究了防止坝体混凝土出现裂缝的对策，针对水库大坝工程的特点，从配制低温混凝土、妥善配料、分段浇筑和设置接缝、振捣施工工艺、养护措施等过程探讨了裂缝控制的施工要点，以确保大坝施工质量。
裂缝问题是钢筋混凝土大坝结构常见的质量通病，也是备受各方关注的技术难题。表面性裂缝对大坝结构的承载能力和使用功能影响不大，但会有碍观瞻，甚至引起人们对工程质量的疑惑;结构性裂缝表明结构的力学、使用功能或整体性受到了损害，是事故发生的警示和前兆。引起钢筋混凝土裂缝的原因有很多，在施工阶段进行预防和控制是最有效的方法。
参考文献：
[1]李治.基础大体积混凝土防裂缝控制措施[J].低温建筑技术,2007(2).
[2]曹宗乾.大体积混凝土防裂控制[J].地下水,2007(3).
[3]朱中联,杨敏华.大体积混凝土防裂施工要点探讨[J].科技创新导报,2008(11).
[4]朱炳浩.大体积混凝土防裂施工技术探讨[J].工程科学,2007(9).